第三章土壤生物和土壤有机质

第三章土壤生物和土壤有机质主要教学目标：1、土壤生物有哪些种类，它们起什么作用？2、什么是土壤有机质？3、土壤有机质如何转化？转化形成的产物是什么？4、土壤有机质在园林生产有哪些作用？5、如何改良土壤的生物学性质？第三章土壤生物和土壤有机质第一节土壤生物和生物学现象第二节土壤有机质来源、类型、及组成第三节土壤有机质的矿质化过程第四节土壤有机质的腐殖质化过程第五节土壤有机质的作用与调节思考题：一、名词解释：1、土壤有机质矿质化过程；2、土壤有机质腐殖化过程；3、氨化作用；4、硝化作用；5、反硝化作用；6、根际效应二、什么是土壤腐殖质，主要物质成分是什么，是如何形成的？三、土壤细菌有哪些生理类群？它们在土壤中的功能是什么？四、土壤有机质有哪些作用？第一节土壤生物一、树木根系1、根的种类根从植物根基发出的根，依据其延伸的方向，可分为：水平根、垂直根、斜生根、下垂根、下斜根。2、根系类型水平根型：水平根占优势；垂直根型：垂直根发达；斜生根型：主要为斜生根，如刺槐。复合根型：各类根的发育程度相近。变态根型：由外界特殊条件如人为的影响产生的。在容器中育苗所形成的根属变态根型。二、土壤动物1、土壤动物的作用挖掘洞穴，利于空气流通和水分渗入；粉碎动植物遗体，为微生物分解创造条件；增加土壤有机质；使有机质与矿质土壤混合。2、蚯蚓的作用促进有机质的腐殖质化以及土壤结构体的形成。土壤中蚯蚓数量是评价土壤肥力高低的一个指标。三、土壤微生物土壤微生物包括：细菌、真菌、放线菌和藻类三、土壤微生物特点：在土壤中数量高，繁殖快。作用：分解有机质、合成腐殖质，在土壤总的代谢活性中起重要的作用。1、细菌土壤细菌占土壤微生物总数的70~90%。个体小，代谢强，繁殖快，是土壤中最活跃的因素。（1）土壤细菌的常见属主要为节杆菌属（Arthrobacter)芽孢菌属(Bacillus),产碱杆菌属（Alcaligenes）假单胞菌属(Pseudomonas)土壤杆菌属(Agrobacterium)1、细菌1、细菌（2）土壤中细菌的生理类群：碳水化合物分解细菌——分解糖、淀粉、纤维素等；氨化细菌——有机含N化合物中的N素，通过氨化细菌的作用转化形成氨；硝化细菌——氨经硝化细菌作用转化为亚硝酸，然后转化为硝酸。反硝化细菌——硝态氮在反硝化细菌作用下，使硝酸还原成还原态氮。1、细菌（3）根据营养方式分类分为自养和异氧细菌。自养型细菌：又叫无机营养型。利用氧化无机物产生的化学能或太阳能作为自身的能量，由空气中摄取二氧化碳。作用：积累土壤有机质和氧化无机物。几种好氧化能自养菌1、细菌异养型：又叫有机营养型依靠分解有机物质获得能量和营养。在异养方式中分好氧和厌氧型。好氧型细菌：使有机质彻底分解，释放养分；有的可固定氮素。如固氮菌、根瘤菌、纤维分解细菌等。厌氧型细菌：分解有机质，合成腐殖质。如嫌气固氮菌、嫌气蛋白质分解细菌等。2、真菌真菌的数量小，但生物量大，在森林土壤和酸性的环境中，真菌是分解土壤有机质的主要微生物类群。常见的真菌种类繁多。青霉(Penicillium)曲霉(Aspergillus)镰刀霉(Fusarium)木霉(Trichoderma)根霉(Rhizopus)毛霉（Mucor）真菌对酸度的适应范围较宽，在pH4时，细菌和放线菌不能生长的情况下，真菌却能生长。2、真菌真菌属异氧型微生物。土壤真菌的多少与土壤有机质含量密切相关。根据真菌的营养过程将真菌分为三类：寄生真菌：引发植物的病害；腐生真菌：分解有机残体；共生真菌：与植物体共生，也叫菌根菌。3、放线菌：属单细胞微生物，在土壤中以菌丝体存在.大部分是腐生菌，少数是寄生菌。有的能与植物共生，固定大气氮。分布：主要分布在土壤中。主要出现在分解的有机物上。3、放线菌：土壤中主要的放线菌优势属:链霉菌属（Actinomyces)诺卡氏菌属(Nocardia)小单孢菌属(Micromonospora)在放线菌中，有些具嗜热性，能耐高温（50～65℃），普遍存在于土壤、肥料及发热的干草和堆肥中。3、放线菌：由放线菌产生的抗生素有2000种，在临床和农业生产上有使用价值的有数十种。链霉素，土霉素，金霉素，庆大霉素，卡那霉素，春雷霉素，灭瘟素等。“5406”抗生菌肥料，属于放线菌肥料。另外，放线菌能产生各种酶和维生素，在污水处理，石油脱蜡等方面有很大的用途。4、藻类是含叶绿素的低等植物，有些能进行光合作用，自身合成有机质，它们主要生活在土壤表层。地表藻类能够和土壤颗粒粘结在一起，增加土壤表面的强度，可使土壤侵蚀明显减轻。另外蓝绿藻可固定N素。4、藻类土壤中的藻类主要是绿藻和硅藻。土壤藻类是土壤生物的先行者，可通过光能自养的能力。成为土壤上最先有机物质制造者之一。荒地和干燥的沙漠土壤中的腐殖质多来自土壤藻类。根据藻类的生长状况，可判断出土壤的肥力状况和性质。四、几种重要的土壤生物学现象1、根际与根际效应根际：就是植物根与土壤的交界面，目前根际的范围并不十分明确。现一般是距根面1—4毫米厚的土壤范围内。采集根际土壤常用的方法是：将植物连根带土挖掘出来，抖掉根上的大土块，将紧贴于根上的薄层土壤洗下来。四、几种重要的土壤生物学现象在根际土壤中，根系除直接吸收养分外，还将各种有机和无机物释放到这部分土壤中，如碳水化合物、氨基酸等、腐殖酸等，使得根际土壤中的营养物质比根外土壤丰富。根际土壤的营养物增加，使根际土壤的微生物大量繁殖，这种现象称为根际效应。常用R/S来表示。1、根际与根际效应但有时根系会分泌植物毒素，强烈拟制同种植物或他种植物的生长。这种现象称为异株相克。连作减产以及病害加重的现象，大多与根分泌物有关。如由于桃树的根皮中分泌苦杏仁苷物质，就出现了同一土地上的再植障碍问题。2、生物固氮概念：生物固氮是在常温、常压下，通过固氮生物体内固氮酶的作用，将游离氮素转变成氨的过程。固氮的微生物：70多个属。主要为细菌、放线菌和蓝、绿藻类。生物固氮的形式：自生固氮和共生固氮。其中共生固氮的效率高。2、生物固氮豆科植物（三叶草、草木樨、紫花苜蓿）300——600千克/公顷.年。非豆科（赤杨属、杨梅属、仙人掌属）的固氮为：50——400千克/公顷.年。生产应用：在绿地建植中，要适当培植一些共生固氮植物，适当进行根瘤菌接种。根瘤菌要求土壤环境为中性，磷、镁、钼、锰含量较高的土壤。3、共生真菌有些真菌能在一些根上发育，共同发育成菌根。现已查明有2000种植物与真菌共生形成菌根。根据菌根与植物根结合的紧密程度，可分为周边营养型菌根：菌丝深入土壤和根部的周围，但不进入根内。外生菌根：深入根内，但只到细胞之间，不进入根细胞内部。内生菌根：菌丝穿入根细胞内。3、共生真菌松柏科、桦木科、壳斗科、杨柳科、胡桃科等许多森林乔木的根上都生有外生菌根，大豆、玉米、棉花、马铃薯、胡萝卜等生有内生菌根。内生菌根中最重要的是泡囊—分枝状菌根（VA菌根），属真菌类，是目前微生物肥料中研究的热点。3、菌根菌根可扩大根的吸收面，提高根的吸收能力，增加根系对水分及养分的吸收。另外，有些菌根还能产生抗生素，保护幼根免受寄生物的入侵。菌根菌需要从根系中吸取营养，才能生存。菌根现象十分普遍，且没有严格的专一性，同种植物可被多种菌根菌感染，同一种菌根菌也可以感染多种植物，对植物的生长环境有利，同时使用菌剂方便。3、菌根有许多树木的生长，必须有菌根菌的存在，才能良好地生长。海南岛的南亚松，在无菌根菌的荒地上，苗木常常死亡。在园林生产中，对不良的土壤，使幼苗感染或接种菌根菌是非常必要的。方法：客土或施用微生物肥料。菌根菌要求的土壤环境：pH在5左右，土壤结构和通气性能良好，土壤水分适中。五、土壤生物学性质的改良对于园林土壤来讲，不良的生物学性质，包括生物活性(微生物所进行的各种生理活动能力）低下以及有害生物过多两种情况。生物活性低的原因，主要是有机质和矿质营养缺乏，另外还与土壤物理性质不良有关。改良的关键：增加有机质含量，另外使土壤疏松、良好的水气热状况也是必要的。另外，接种有益的微生物或施用微生物肥料。土壤有害生物多，可引起严重的病虫害。土壤消毒方法：进行土壤消毒：对于绿地，在播种或移栽前要对土壤进行消毒，可杀灭有害的病原微生物、害虫和杂草种子。对于温室大棚。需年年消毒。如何消毒：高温消毒和药物消毒。在土壤中埋设导管，将土壤密封好，通如热的蒸汽，温度在80—100度时。10分钟可完成消毒。药物：福尔马林、溴甲烷、硫酰氟、硫酸亚铁等。第二节土壤有机质的来源、组成和类型一、什么是有机质广义：包括一切生物体极其分解或合成的各种产物。狭义：通过微生物转化合成的有机物质即腐殖质。二、来源最重要的是高等植物的枯枝落叶、茎、根系、花果等残体。三、有机质的类型广义的土壤有机质包括2大类：一是非特殊性有机质——生物遗体及其分解的中间产物。二是特殊性有机质——腐殖质。四、非特殊性有机质的化学成分1、单糖和有机酸；2、多糖类：淀粉、半纤维素、纤维素等3、蛋白质；4、木质素；5、单宁、脂肪、蜡质、树脂6、灰分物质——植物体经过灼烧后残留的无机物，主要元素有Ca、Mg、K、Na、S、P、Fe等。第三节土壤有机质的矿质化一、土壤有机质的转化的两个过程：土壤有机质矿质化过程和腐殖化过程。1、矿质化过程的概念复杂的有机质经过微生物的分解作用，最终形成简单的无机物质如水、二氧化碳、硫酸盐、硝酸盐等。矿质化过程和腐质化过程是有机质转化的两个方向，同时进行的。第三节土壤有机质的矿质化2、两个过程同时进行在温度较高、湿度适中、通气良好时，矿化过程快，养分释放快。如过快，养分会损失，且腐殖质形成过少，对养地不利。温度低、湿度大、通气不良，以嫌气性微生物活动为主，养分释放少，腐殖质过程快。二、土壤有机质的矿质化过程1、单糖的分解：在有氧条件下彻底分解，形成二氧化碳和水，在缺氧条件下，形成有机酸类的中间产物，并产生还原性的甲烷及氢气等。2、纤维素的分解：首先分解为单糖，然后进一步分解。二、土壤有机质的矿质化过程3、含氮有机质的分解：主要是蛋白质的分解，是土壤氮素循环的主要过程。包括4个过程：（1）水解过程：蛋白质在水解酶作用下分解成简单的氨基酸；（2）氨化作用：在氨化细菌作用下，有机态氮变成无机态氮即氨或铵的过程。第三节土壤有机质的矿质化（3）硝化作用：氨在微生物作用下，经过亚硝酸的中间阶段，进一步氧化为硝酸。需在有氧条件下进行。（4）反硝化作用：在厌气条件如水淹、有机质含量过高情况下。硝态氮在反硝化细菌作用下，转化为还原态氮如氨、NO、N2O、N2、HNO等。第三节土壤有机质的矿质化4、有机态P的分解：含磷的有机物在磷细菌的作用下，经过水解过程形成磷酸（H3PO4）。在嫌气条件下，许多微生物引起磷酸还原，产生亚磷酸或次磷酸。在有机质丰富时，进一步还原为磷化氢。第三节土壤有机质的矿质化5、含S有机物的转化与有机含氮化合物的转化过程相似。含S有机物在腐解作用下产生的硫化氢，在通气良好时，在硫细菌作用下氧化形成硫酸。硫酸在不良通气条件下发生反硫化作用，形成硫化氢，对植物产生毒害。三、影响有机质转化的因素（一）有机残体的组成状况1、有机残体的物理状态：一般情况下，多汁幼嫩新鲜的绿肥易分解。2、有机残体的化学成分。一般情况下，阔叶比针叶快；叶片比残根快，豆科比禾本科快。3、有机残体的碳氮比用C/N表示。微生物吸收1份氮，就要吸收5份碳用于构成自身细胞，同时要消耗16—20份碳作为生命活动的能量。微生物分解需有机质的C/N为20—25：1。如有机残体C/N小于20—25：1，微生物积极分解有机质，如大于20—25：1，则微生物细胞合成受氮素限制，有机残体分解较慢。（二）外界条件外界条件通过制约微生物的活动，而影响有机质的转化。1、最适温度：20～30度。2、湿度和通气状况：在田间持水量的60%最好。3、土壤pH：细菌最适pH6.5—7.5，放线菌中性到为碱性，真菌酸性到中性条件。有机质分解速度碳循环中碳素贮量第四节土壤有机质的